TP 17 : Notion de résistance thermique d un matériau

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1 TP 17 : Notion de résistance thermique d un matériau Objectifs : - Mesurer la résistance thermique de certains matériaux. - Comparer ces matériaux pour l appliquer à l isolation des bâtiments. Compétences travaillées : - Exploiter la relation entre le flux thermique à travers une paroi plane et l écart de température entre ses deux faces. Matériel (salle A020) 5 postes : - Ordinateur + tableur (Latis Pro) - Bec électrique, 2 Thermomètres, 1 bécher - Support + tige + noix Au bureau : - Scotch, règles graduées, Matériaux en plaques : carton, verre, polystyrène I. Introduction expérimentale I.1. Protocole expérimental L objectif est de simuler les parois d une habitation, et de tester l isolation de certains matériaux. On réalise le montage ci-contre. On chauffe une face du matériau laquelle on a fixé un thermomètre. On mesure la température T 1. Sur l autre face, on fixe un thermomètre, et on mesure la température T 2. Remarque : ne pas trop rapprocher le matériau du bec électrique. Mesurer les deux températures avant tout chauffage. Chauffer le matériau sur une face, et attendre l évolution de la température ( C) jusqu à ce qu elle se stabilise à peu près. Entre chaque mesure pour les matériaux, faire baisser rapidement la température dans un bécher d eau. Noter l épaisseur et la surface des matériaux utilisés dans le tableau ci-dessous. I.2. Résultats et mesures Polystyrène e =. S =. Verre e =. S =. Carton e =. S =. Elévation de température sonde n 1 : T 1 Elévation de température sonde n 2 : T 2 Energie, matière et rayonnement Chapitre 17 TP Résistance thermique d un matériau 1

2 I.3. Réflexions Comparer les résultats obtenus pour chaque matériau testé. En quoi la surface et l épaisseur des matériaux est-elle importante? II. Modélisation des observations L objectif est désormais d expliquer les résultats obtenus, en définissant une nouvelle grandeur, la résistance thermique R th d un matériau. Après lecture et analyse des documents, répondre aux questions suivantes : Document 1 : fiche accompagnant la laine de roche ENFLOCONS DOCUMENT TECHNIQUE Isolation des combles perdus par soufflage de laine de roche. CONDITIONNEMENT Laine de roche en flocons conditionnée en sacs de 25 kg. FONCTIONNALITE Rapidité de mise en œuvre Continuité de l isolation (suppression des ponts thermiques) Isolation soufflée stable, sans fixateur Adaptation parfaite aux combles difficiles d accès (faible hauteur sous faîtage, trappe réduite, fermette). SÉCURITÉ INCENDIE La laine ENFLOCONS est classée M0 (non combustible). Elle ne participe pas au développement de l incendie et contribue à la protection des structures RÉSISTANCE THERMIQUE INTRINSEQUE Conductivité thermique pour une densité d application de 22,5 kg/m 3 : la mesure de la conductivité thermique de la laine de roche ENFLOCONS a été réalisée conformément à la Norme Française NF X , qui correspond à la méthode de la plaque chaude gardée. λ = 0,0427 W.m -1.K -1 Résistance thermique intrinsèque (en m 2.K/W) Epaisseurs (en cm) Poids moyen (en kg/m 2 ) 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 8,5 10, ,5 1,9 2,4 2,9 3,4 3,8 4,3 4,7 5,2 5,7 Energie, matière et rayonnement Chapitre 17 TP Résistance thermique d un matériau 2

3 Document 2 : Document destiné au grand public lisible sur le site de l'ademe Document 3 : Conductivité thermique de certains matériaux Matériau Polystyrène expansé Conductivité thermique λ W.m -1.K -1 0,04 Laine de roche ou de verre 0,04 Bois 0,20 Béton cellulaire 0,24 Brique pleine 0,75 Béton plein 1,75 Acier 52 Verre 1,2 Epaisseur de la paroi donnant le même niveau d'isolation thermique Document 4 : Notion de flux thermique Lorsqu'une paroi (de surface S et d'épaisseur e) est soumise à un écart de température ΔT entre sa face intérieure et sa face extérieure, elle est traversée par un flux énergétique Φ. Ce flux obéit à la loi physique : T R th où ΔT est la variation de température, en Kelvin R th est la résistance thermique la paroi, en K.W -1 Φ est le flux thermique, en W Remarque : les professionnels du bâtiment utilisent la résistance thermique intrinsèque R I qui est une grandeur indépendante de la surface exposée au flux : RI S Rth Energie, matière et rayonnement Chapitre 17 TP Résistance thermique d un matériau 3

4 Questions : Première partie : Appropriation de paramètres physiques utiles et relation entre eux Comment la résistance intrinsèque R I de la laine de roche en flocons varie-t-elle avec l'épaisseur e? Aide : tracer le graphe R I = f(e) sur tableur, pour déterminer la relation entre R I et e. On pose : R k e I Déterminer la valeur numérique du coefficient k dans le système international d'unités. Par une analyse dimensionnelle, montrer que k s'exprime en m.k.w -1. En réalité, 1 k où λ désigne la conductivité thermique du matériau. Cette relation est-elle en accord avec l'analyse dimensionnelle précédente? Quelle est la valeur de la conductivité thermique de la laine de roche en flocons déduite du graphe précédent? Cette valeur est-elle en accord celle de la fiche technique (document 1)? Seconde partie : Vérification Ecrire la relation liant la résistance intrinsèque R I d'un matériau à sa conductivité thermique λ et à l'épaisseur e de la paroi. Cette relation est-elle compatible avec les données du document 2? Energie, matière et rayonnement Chapitre 17 TP Résistance thermique d un matériau 4

5 Expliquer pourquoi, en exploitant les données du document 3, une épaisseur de 2 cm de laine de roche est aussi efficace qu'un mur de béton plein de 90 cm d'épaisseur. D'après le graphique du document 3, quelle serait l'épaisseur de brique pleine donnant la même efficacité thermique? Retrouver cette valeur par le calcul de la résistance intrinsèque de cette paroi. Troisième partie : Application Calculer la résistance intrinsèque R I,acier d'une paroi d'acier de 2 cm d'épaisseur et la R I,poly de la même épaisseur de polystyrène expansé. En déduire les valeurs des résistances thermiques des parois si elles présentent une surface de 10 m². En déduire les valeurs des flux thermiques qui permettent le maintien d'un écart de température de 15 C de part et d'autre de ces parois. Quatrième partie : intérêt du double vitrage Certaines fenêtres à double vitrage possèdent deux vitres parallèles séparées par un gaz tel que l'argon. Elles permettent de mieux isoler les pièces d'une maison. La conduction est le mode prépondérant de transfert d'énergie à travers un double vitrage. Quels sont les autres modes de transferts possibles? Energie, matière et rayonnement Chapitre 17 TP Résistance thermique d un matériau 5

6 Dans quel sens a lieu le transfert d'énergie? On précise que dans le cas d'une paroi composite, c'est à dire formée de plusieurs couches de matériaux différents, la résistance thermique totale est la somme des résistances des différentes couches. Calculer la résistance thermique de chacune des 3 parois composant le double vitrage, si la surface vitrée est de 1 m². En déduire la résistance totale du double vitrage. Quel sera la valeur du flux thermique qui le traverse. Comparer cette valeur avec celle du flux traversant un simple vitrage d'épaisseur 8mm. Dégager l'intérêt du double vitrage par rapport au simple vitrage. Données : Conductivités thermiques : λ air = 0,026 W.m -1.K -1 ; λ argon = 0,017 W.m -1.K -1 ; λ verre = 1,2 W.m -1.K -1 III. Retour sur les résultats expérimentaux Dans la partie précédente, on a mis en évidence qu il est possible de déterminer la conductivité thermique d un matériau, donc de connaître sa capacité à isoler. On peut utiliser les deux relations suivantes : e RI S R th ; T Rth Energie, matière et rayonnement Chapitre 17 TP Résistance thermique d un matériau 6

7 Exprimer λ en fonction de Φ, e, S et ΔT. Si on estime que le flux thermique libéré par le bec électrique vaut Φ = 1W, on peut estimer une valeur numérique de conductivité pour chaque matériau. On peut classer désormais les matériaux du plus isolant au moins isolant... Comparer les valeurs obtenues pour λ avec les valeurs référencées (ci-dessous) en faisant un calcul d incertitude. Evaluer les sources d incertitude. Données : Conductivités thermiques : λ carton = 0,07 W.m -1.K -1 ; λ verre = 1,2 W.m -1.K -1 ; λ polystyrene = 0,036 W.m -1.K -1 Energie, matière et rayonnement Chapitre 17 TP Résistance thermique d un matériau 7

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